第四节 热机（教学课件）物理新教材鲁科版（五四学制）九年级上册

第十二章 内能与热机 物理九年级上册 •鲁科版(五四学制) 第4节 热机 （本课件包含PPT39张；图片：26张；动图视频：2个；教学视频：4个） 学习目标——物理学科素养 01 物理观念 知道热机的概念、工作原理、内燃机的工作过程、异同； 知道热值；知道热机效率，说出提高热机效率的有效途径。 02 科学思维 从生活中体会不同燃料燃烧释放能量的本领不同，建立燃料热值和效率的概念。体会现代交通工具对人们生活的巨大影响； 03 科学探究 通过模型了解汽油机和柴油机的构造、工作原理、工作过程及异同点。 04 科学态度与责任 知道内燃机工作和燃料燃烧时有废气污染，树立环保意识，以及应用物理知识解决实际问题的能力。 教学重难点 教学重点 教学难点 热机的工作原理、内燃机的工作过程和热机效率。 内燃机各冲程的工作状态和能量转化。 课堂引入 本节课将我们一起来探究相关问题。 18 世纪第一辆汽车问世时，它的速度只有几千米每小时，而目前最快的汽车的速度已经超过了声速（图12-4-1）。 汽车是如何获得机械能的呢？ 【学习任务一】热机的工作原理 探究新知 1. 观察与实验：不同形式能量之间的转化 【实验方法】在一个试管中装一些水，用橡胶塞塞紧；然后对试管加热使水沸腾，观察现象。 【实验现象】瓶塞被冲出来；管口附近出现“白雾”。 【学习任务一】热机的工作原理 探究新知 1. 观察与实验：不同形式之间能量的转化 【分析论证】酒精燃烧放出热量，酒精的化学能转化为水和水蒸气的机械能； 水蒸气对瓶塞做功，内能转化为瓶塞的机械能。 【实验结论】利用内能可以做功。 【学习任务一】热机的工作原理 探究新知 2. 热机： （1）热机：是把燃料燃烧时释放的内能转变为机械能的装置。 热机的能量转化：燃料的化学能（燃烧）→内能（做功）→机械能。 （2）热机种类：蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机等。 【学习任务二】内燃机 探究新知 3. 内燃机： （1）定义：燃料直接在发动机气缸内燃烧产生动力的热机，叫做内燃机。 （2）分类：常见的内燃机有汽油机和柴油机两类。 【学习任务二】内燃机 探究新知 4. 汽油机： （1）定义：燃烧汽油的内燃机。 （2）结构：主要由气缸、活塞、进气道、进气阀、排气道、排气阀、曲轴连杆、飞轮和火花塞组成。 【学习任务二】内燃机 探究新知 4. 汽油机： （3）冲程：活塞在气缸内做一次单向运动叫做一个冲程)。 （4）工作过程：汽油机的一个工作循环由吸气、压缩、做功、排气四个冲程组成。 【学习任务二】内燃机 探究新知 4. 汽油机： ①吸气冲程 旋转的飞轮通过曲轴连杆带动活塞，使活塞从气缸上部向下运动，进气阀开启，空气和汽油的混合气体通过进气道进入缸内。 【学习任务二】内燃机 探究新知 4. 汽油机： ②压缩冲程 两个气阀关闭，活塞在飞轮带动下，从气缸下部向上运动，缸内混合气体被压缩，机械能转化为内能，因此，内能增加、温度升高、压强增大。 【学习任务二】内燃机 探究新知 4. 汽油机： ③做功冲程 压缩冲程结束后做功冲程开始时，气缸顶部的火花塞发出电火花，缸内气体爆发性燃烧，高温高压气体迅速膨胀，使活塞向下运动，内能转化为机械能。 【学习任务二】内燃机 探究新知 4. 汽油机： ④排气冲程 飞轮因为惯性继续转动使活塞上升，排气阀打开，将燃烧后的废气排出缸外。 【学习任务二】内燃机 探究新知 4. 柴油机： （1）定义：燃烧柴油的内燃机。 （2）结构：它与汽油机在结构上的主要不同是气缸顶部的火花塞换成了喷油嘴。 【学习任务二】内燃机 探究新知 4. 柴油机与汽油机的异同： 项目 汽油机 柴油机 构造 气缸顶部有一个火花塞 气缸顶部有一个喷油嘴 燃料 汽油 柴油 吸入物质 吸入汽油与空气的混合物 只吸入空气 压缩冲程 压缩程度较小 压缩程度较大 点火方式 点燃式 压燃式 特点与 适用范围 轻巧、功率小；小汽车、摩托车等 笨重、功率大；载重汽车、轮船等 相同点 一个工作循环由吸气、压缩、做功、排气四个冲程组成，活塞往复运动两次，曲轴转动两周，对外做功一次； 压缩冲程把机械能转化为内能，做功冲程把内能转化为机械能 探究新知 【课堂小练】 1．如图14-22所示，试管里盛有适量的水，加热试管使水沸腾，试管口冒出的“白气”推动管口处的小风车转动。选择下列说法中正确的选项并说明理由。 A. 水在沸腾过程中，不断吸收热量，温度升高 B.实验过程中通过做功使试管内水的内能增大 C. 试管口冒出的“白气”是水汽化形成的水蒸气 D.“白气”使小风车转动的过程相当于汽油机的做功冲程 【答案】D 【解析】（1）分析表格可知，质量相等的液体a和b，升高相同温度时，a液体需要的加热时间更长，a液体吸收的热量多，即a吸A.水沸腾持续吸热，温度不变； B.水内能增大使通过热传递的方式改变的； C. 试管口出现的“白雾”是小液滴，即水蒸气遇冷液化而成的小液滴； D.试管内水蒸气的内能可以转化为小风车的机械能，与做功冲程相同，故该实验基本展示了热机的工作原理。 探究新知 【课堂小练】 2．如图甲所示，此过程的能量转化与热机 冲程的能量转化相同；若不放棉花，快速压缩活塞，筒内空气温度 （选填“升高”、“不变”或“降低”）。如图乙所示，盒盖飞出时，盒内燃气的内能 （选填“变大”、“不变”或“变小”），这是通过 的方式改变盒内燃气内能。 【答案】 压缩 升高 变小 做功 【详解】[1][2]甲图中快速压缩活塞对筒内气体做功，将机械能转化为内能，筒内气体的内能增加，温度升高，与热机冲程中压缩冲程能量转化相同。 [3][4]盒盖飞出时，盒内燃气对盒盖做功，将内能转化机械能，导致盒内燃气的内能会变小，是通过做功的方式改变盒内燃气内能。 【学习任务三】热机效率 探究新知 1. 思考与讨论： 燃料的种类有很多，固体燃料有木柴、煤等，液体燃料有汽油、柴油等，气体燃料有煤气、天然气等。根据你的经验，相同质量的不同燃料燃烧时，放出的热量是否相同？请找出事实来支持你的观点，并进行分析。 【学习任务三】热机效率 探究新知 2. 燃料的热值： 燃料燃烧的过程是化学能转化为内能的过程。从原始人类学会用火起，至今，人们使用的能量绝大部分还是通过燃烧燃料获得的。 （1）定义：把某种燃料完全燃烧放出的热量与所用该燃料的质量之比，叫做这种燃料的热值，用字母q表示。 （2）单位：焦/千克，符号为 J/kg（固体和液体燃料） 焦/立方米，符号为 J/m3（气体燃料） 【学习任务三】热机效率 探究新知 2. 燃料的热值： （3）意义：热值表示燃料的燃烧特性、化学能转化为内能的本领大小。热值大，说明相同质量（或体积）的这种燃料完全燃烧时放出的热量多，即化学能转化成的内能多。 （4）影响因素：热值与燃料的种类有关，同种燃料的热值相同，不同种燃料的热值一般不同。 【学习任务三】热机效率 探究新知 2. 燃料的热值： （5）常见燃料的热值表： 【学习任务三】热机效率 探究新知 2. 燃料的热值： （6）公式： （固、液体燃料） （气体燃料） q 表示燃料的热值，单位：焦/千克或焦/米3） m表示燃料的质量，单位是千克（kg） V 表示气体燃料的体积，单位是米3（m3） Q 表示燃料放出的热量，单位是焦（J） 【学习任务三】热机效率 探究新知 2. 燃料的热值： 【学习任务三】热机效率 探究新知 3. 热机效率： 热机的能量流向图：热机工作时，并不能将燃料所蕴藏的化学能全部用来对外做有用功，有很大一部分能量在工作过程中损耗掉了。 真正能转变为对外做有用功的能量只是燃料燃烧时所释放能量的一部分。 【学习任务三】热机效率 探究新知 3. 热机效率： （1）定义：热机运转中，对外做的有用功与燃料完全燃烧所释放的能量的比值称为热机效率。 （2）公式： η 或 η 其中W有用表示对外做的有用功，Q放表示燃料完全燃烧所释放的能量。 （3）物理意义： 热机的效率是热机性能的重要指标。热机的效率表示使用热机时对燃料的利用率的高低，热机的效率高，在做功同样多的情况下，就消耗更少的燃料，节约能源。 【学习任务三】热机效率 探究新知 3. 热机效率： （4）提高热机效率的主要途径： ①减少燃烧过程中的热量损失。 ②尽量简化机械传动部分，并选用优良的润滑材料减小摩擦，以减少能量损失。 ③设法利用废气的能量，是提高燃料利用率的重要措施。 【学习任务三】热机效率 探究新知 3. 热机效率： （5）常见热机的效率： 各种热机的效率是不同的。如推动世界上第一次工业革命的蒸汽机，其效率只有 6%～15%，汽油机的效率为 20%～30%，柴油机的效率为 30%～40%，而喷气式飞机上的发动机的效率能达到50%～60%。 探究新知 【课堂小练】 1．为区分优质煤粉与掺杂了矸石粉末的劣质煤粉，最恰当的方法是检测下列物理量中的哪个？请说明理由。（   ） A．热值 B．比热容 C．温度 D．质量 【答案】A 【解析】掺人矸石的煤的热值减小，因此相同质量的煤燃烧时放出的热量就少，故可用检测热值的方法检验优质煤中是否掺人了矸石。 探究新知 【课堂小练】 2．下列与火箭燃料有关的说法中，正确的是（ ）。 A. 火箭燃料燃烧越充分，其热值越大 B.燃料燃烧释放的热量越多，热机效率越高 C.燃料用了一部分后，质量变小，热值变小 D. 火箭发射升空时发动机内的能量转化与汽油机的做功冲程类似 【答案】 D 【详解】A、C:热值只与燃料的种类有关。B.热机效率大小取决于做有用功的那部分能量和燃料完全燃烧放出的能量之比。D.火箭发射升空时内能转化为机械能，所以和做功冲程类似。 探究新知 【课堂小练】 3．为了缓解能源紧缺问题，提高热机的效率变得越来越重要。下列有关热机效率的说法中，正确的是（ ） A. 尽量减少热机内部各部伴间的摩擦可提高热机效率 B.使用的燃料热值越高，热机的效率越高 C.目前有些新型燃料汽车实现了“零排放”，它们的热机效率可达到100% D. 柴油机的效率一般低于汽油机的效率 【答案】 A 【详解】A．使燃料充分燃烧、减少废气带走的热量、减少热机部件间的摩擦都可减少热量的损失，提高效率；C.热机在工作过程中不可避免地存在能量的损失，所以热机效率永远要小于100%；D.柴油机的效率一般30--35%.;汽油机的效率一般25-30%。 课堂小结 课堂小结 课内知识通关 1.压路机是一种利用碾轮的碾压作用将土壤、路基垫层和路面铺砌层压实的工程机械，其发动机为柴油机。柴油机工作时，提供动力时的能量转化与下列哪一项相同（ ） A．鼻孔吸气 B．气沉丹田 C．排山倒海 D．打完收工 考点：热机工作循环。 【答案】C 【详解】热机的做功冲程中，活塞对混合气体做功，将机械能转化为内能。 A．鼻孔吸气是热量的传递过程，没有发生做功现象，故A不符合题意； B．“气沉丹田”的过程类似于压缩气体做功，将机械能转化为内能，故B不符合题意； C．“排山倒海”是人对外做功，与热机的做功冲程类似，故C符合题意； D．“打完收工”是相对静止的状态，不存在能量的转化，故D不符合题意。 课内知识通关 2. 如图所示的是某学校自制的教具，在矿泉水瓶的侧壁上钻一个孔，把电火花发生器紧紧塞进孔中，实验时从上方瓶口喷入液态酒精并盖上一次性纸杯，按动电火花发生器的按钮，点燃瓶内酒精后，纸杯即刻飞出，瓶口出现白雾。气体推动纸杯飞出的过程中（　　） A．外界对气体做功，气体内能增加 B．气体膨胀对外做功，内能增加 C．能量转化与内燃机的压缩冲程能量转化相同 D．能量转化与内燃机的做功冲程能量转化相同 考点：热机。 【答案】D 【详解】气体推动纸杯飞出的过程中，气体膨胀对外做功，内能减小，能量转化由内能转化为机械能，内燃机的做功冲程中，内能转化为机械能，能量转化与内燃机的做功冲程能量转化相同，故D符合题意，ABC不符合题意。 故选D。 课内知识通关 3.下列关于燃料的热值说法正确的是（　　） A．燃料燃烧越充分，其热值越大 B．燃料的热值越小，完全燃烧放出的热量越少 C．一瓶酒精用去三分之一，剩余酒精的热值将减小 D．焦炭的热值是3.0×107J/kg，它表示1kg的焦炭燃烧时放出的热量是3.0×107J 考点：热值。 【答案】D 【解析】A．燃料的热值仅与燃料的种类有关，而与燃料的燃烧程度无关，故A错误； B．根据Q=mq可知，放出的热量与热值、质量有关，故B错误； C．一瓶酒精用去三分之一后，质量变化、热值不变，故C错误； D．焦炭的热值是3.0×107J/kg，它表示的意思是1kg的焦炭完全燃烧时放出的热量是3.0×107J，故D正确。 课内知识通关 4.关于热机的效率，下列说法正确的是（　　） A.在做功同样多的情况下，热机的效率越高消耗的燃料越多； B.一般情况下柴油机的效率比汽油机的高； C.热机的效率越高说明做功越快； D.热机损失的能量中，废气带走的能量较少，主要是由于机械摩擦损失的 考点：热机效率。 【答案】B。 【解析】A．热机的效率越高，做有用功与燃料完全燃烧放出的热量的比值越大，即在做功相同的情况下，消耗的燃料较少，或消耗相同的燃料，做功较多，故A错误。 B．一般情况下柴油机的效率比汽油机的高，多用在重型机器上，故B正确； C．热机的效率是有用功与燃料完全燃烧放出的热量的比值，热机的效率越高说明有用功占的比值越大，功率表示做功的快慢，功率越高说明做功越快，效率和功率是两个不同的物理量，二者之间没有必然联系，故C错误； D．根据内燃机的能量流向，热机损失的能量中，废气带走的能量较多，故D错误。故选B。 作业布置 1.基础性作业：完成课本P48中的1——4小题。 2.拓展性作业：课本P48中的第5小题。 思路知道 提高热机效率具有多重积极意义：首先，它能显著节约能源，降低能源消耗，提高能源利用率。其次，减少能源消耗直接导致污染物排放減少，改善环境，保护生态。此外，更高的效率意味着降低生产成本，提高经济效益，增强企业竞争力。最后，对更高效率的追求驱动技术创新，促进热机技术及相关领域（如材料科学、控制技术）的进步。总而言之，提高热机效率对环境、经济和技术发展都具有深远而积极的影响。 谢谢聆听 谢谢聆听 Lavf59.27.100 Lavf57.77.100 $$